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0340;运算速度只有1亿次/秒,而到了2007年,“银河V”的运算速度达到了30万亿次/秒.此后,国防科技大学跳过百万亿次级别的超算研制,直接进军千万亿次的超级计算机研制,这便是后来的“天河一号”,峰值运算速度达到4.7千万亿次/秒,持续运算速度2.57千万亿次/秒.现在,短短两年之后,“天河二号”又把这一速度远远甩在了身后.不久前,在一次长达5个小时的标准测试中,“天河二号”跑出了峰值54.9千万亿次/秒、持续计算速度33.9千万亿次/秒的成绩,比“天河一号”又快了十几倍.更令人惊讶的是,跑出这样的速度,“天河二号”并没有用足全部力气,它只使用了自身所携带的1.6万个运算节点当中的1.4336万个,相当于只用了90%的劲儿,就比排在第二位的美国“泰坦”超级计算机快出了74%.
速度的竞争越来越激烈,在超级计算机排行榜上也呈现出胶着状态.1997年,“银河Ⅲ”超级计算机第一次参与TOP500组织的全球排名,结果排在了501位,尚未进入大名单；到2000年的时候,“银河Ⅳ”已经排到了全球第20名,标志着中国进入了世界级的超级计算机俱乐部,终于在10年之后的2010年凭借“天河一号”问鼎.也是在这十几年间,TOP500的前十名中,美国独领风骚的局面被打破,日本、德国等国家纷纷上榜,尤其美、日、中三国相互之间竞争更加白热化.
2010年底,“天河一号”夺得世界第一后,日本在遭受“311”大地震灾害的情况下,仍投资10亿美元加快研制超级计算机“京”（KComputer）,并于2011年6月夺取世界第一.不过,“京”的优势只持续了一年,2012年6月即被美国IBM公司研制的“红杉”超级计算机超越.又过了半年,美国能源部橡树岭实验室的超级计算机“泰坦”登上了世界第一的位子.但是,从数量上看,美国仍然保持着世界超级计算机最大的规模,在刚刚公布的TOP500名单中,美国拥有其中的253个,中国大陆拥有65个,日本则占据了30个.
“速度竞赛的背后是综合国力的比拼,超级计算机不仅仅意味着一国的科研能力,反过来又可以帮助我们提升自己的综合国力,提升科研、经济、国防、社会管理等各个领域的竞争力.”迟学斌向本刊记者分析道,超级计算机与航空航天事业类似,是一个国家综合实力的“镜子”与“助推器”.
超级计算机是一项庞大而复杂的系统工程.为了解决速度问题,它并不是简单地将普通计算机叠加在一起就能实现的.CPU是计算机中用来处理数据的核心部件.迟学斌向本刊记者介绍,按照传统的思路,科学家们一直在努力提高单个CPU的性能,通常有两种方式――提高主频或者增加核数.但是,前者会导致能耗大幅提高,后者又会遇到“天花板”,毕竟一个CPU上能承载的核是有限的.“核”是CPU上用来处理数据的芯片组,它的数量直接决定了一台电脑的数据处理速度,普通的家用电脑大多采用双核处理器,即便是我国自主研发的高性能处理器“飞腾1500CPU”,也只有16个核.
“‘天河一号’的第一大创新,就是打破了传统思路,创造性地运用自主研发的高速互连模式,在工程上实现了CPU+GPU的异构融合.”参与研制的刘光明告诉本刊记者.通俗来讲,就是将数据处理器与图形处理器相结合,用一种高速互连的方式把它们连接起来,从而在运算过程中剔除掉一些不必要的逻辑运算,节省相互之间的通信时间,提高计算速度.“天河二号”沿袭了这一模式,它拥有1.6万个计算节点,每个节点上部署了5个处理器,每个处理器又拥有数量不等的核,总计有312万个计算核心.若以人工1次/秒来类比,“天河二号”运算1小时的数据量,中国13亿人口需要计算1000年.
为了与超快的计算相匹配,超级计算机还必须拥有超大的存储容量.在美国计算机历史博物馆里,陈列着一个27公斤重的硬盘,却只能够存储5M的容量,而现在,一个普通家用的硬盘就能达到1TG的存储量,是它的20万倍.“天河二号”由170个机柜组成,内存总容量1400万亿字节,存储总容量12400万亿字节,相当于存储每册10万字的图书600亿册,容得下4个国家图书馆的藏书.庞大的存储量和超快的计算速度,背后所付出的代价就是惊人的耗电量.“天河二号”的最高运行功率是17.8兆瓦/小时,意味着如果满负荷运转每小时的耗电量将高达1.78万度,相当于5所大学的耗电量之和.因此,散热制冷和供电保障成为超算中心的重头戏.天津超算中心的监控室里,4个屏幕上显示着电路和冷却塔的工作状态,工作人员必须24小时值守,一年来也只有春节假期那几天才可以停机检修.
“‘天河一号’排名世界第一的时候,我很欣喜,而这一次的心情完全不同.‘金榜题名’固然是好事,但兴奋之余我们感到更多责任,需要对未来发展进行更深入的思考.”“天河二号”计算机系统研制工程副总指挥李楠在采访时说出的这句话意味深长.时隔两年,中国超级计算机重回“世界第一”,但这并不意味着中国的超算水平也达到了世界第一.“超级计算机计算就好比是高速公路,我们现在有了更宽更好的路,但在上面跑什么样的车,如何去管理和运行,则是更艰巨的任务.”刘光明告诉本刊记者.
与美国相比,中国的超算事业起步较晚.1975年10月和1977年秋,时任国防科工委主任的张爱萍上将先后两次指示国防科技大学计算机研究所对巨型机（当时还未叫超级计算机）研制进行调研.1978年3月,中央军委主席邓小平专门听取了关于计算机发展情况的汇报,明确由国防科工委系统承担亿次机研制任务,张爱萍将军为其命名“银河”.
早期的超级计算机,主要应用在国防领域,尤其随着1996年《全面禁止核试验条约》的签署,世界核大国陆续停止了核试验,利用超级计算机进行模拟核试验便成为新的代替方式.不仅如此,走在前列的美国还依靠超级计算机系统来管理它庞大的核武器库.随着超算技术的成熟,逐步推广至国民经济的方方面面,但是,美国等发达国家对超级计算机的技术实行严格保护.刘光明还记得,上世纪80年代,“银河Ⅱ”研制的时候,中国气象局想从美国购买一台超级计算机,从事中期天气预报的计算.可美国人先是不卖,后来又提出很多苛刻的条件,比如限制计算数据的量,甚至提出建一所玻璃机房,只允许美方人员进入操作计算机.就是在这样的夹缝中,国防科技大学自主研制成功了“银河Ⅱ”,当这一机器发布后,美国人眼看自己的优势不再,很快就答应卖给中国一台.当时,在中国气象局有两台超级计算机相邻而放,从运行情况看,“银河Ⅱ”并不输美国的同类型计算机.
研制超级计算机,不仅仅需要科研实力,还需要强大的经济实力.迟学斌告诉本刊记者：“超级计算机这样的前沿科技,投入产出肯定不
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